(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211230913.3 (22)申请日 2022.10.10 (71)申请人 中国航发四川燃气涡轮 研究院 地址 610500 四川省成 都市新都区新都学 府路999号 (72)发明人 黄维娜　刘强军　邓磊　谢强　 查海勇　王彬　周山　程域钊　 余剑　于俊杰　何爱杰　李晓明　 (74)专利代理 机构 北京清大紫荆知识产权代理 有限公司 1 1718 专利代理师 周晓飞 (51)Int.Cl. F01D 9/04(2006.01) F01D 11/04(2006.01) G06F 30/15(2020.01)G06F 30/20(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种鸟类骨架仿生式承力结构及其设计方 法 (57)摘要 本发明涉及航空发动机静子部件承力结构 领域， 公开了一种鸟类骨架仿生式承力结构及其 设计方法， 承力结构是以航空发动机中心线为回 转轴的回转结构， 其回转截面包括承力骨架、 预 旋喷嘴、 人字环组件， 承力骨架为承力脊椎骨架 仿生， 预旋喷嘴为鸟类头骨仿生， 人字环组件为 后肢骨骼仿生。 本发明中承力结构回转截面采用 鸟类仿生式， 承力骨架曲线拟合形成， 根据承力 载荷分布设计为变厚度承力骨架， 使得承力结构 整体性良好， 力学分布合理， 当量刚度/强度明显 提高。 承力骨架、 人字环组件和预旋喷嘴形成空 间网格骨骼分布， 使承力结构省去大量利用率极 低材料， 整体材料分布更加合理， 在满足整体刚 度/强度需求的同时， 承力结构重量较传统连接 极大降低。 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 CN 115288804 A 2022.11.04 CN 115288804 A 1.一种鸟类骨架仿生式承力结构， 其特征在于， 所述承力结构是以航空发动机中心线 为回转轴的回转结构， 其回转截面包括承力骨架、 预旋喷嘴、 人字环组件， 所述承力骨架为 承力脊椎骨架仿生， 用于与燃烧室内机匣、 叶片内支撑环固定连接； 所述预旋喷嘴为鸟类头 骨仿生， 用于涡轮转子提供冷气， 同时与转子挡板形成密封结构； 所述人字环组件为后肢骨 骼仿生， 用于与转子轴形成封严副。 2.根据权利要求1所述的鸟类骨架仿生式承力结构， 其特征在于， 所述预旋喷嘴靠近转 子挡板的一端设置有篦齿， 通过 篦齿与转子挡板形成密封结构。 3.根据权利要求1所述的鸟类骨架仿生式承力结构， 其特征在于， 所述人字环 组件在与 转子轴相邻的 的位置设置有蜂窝密封组件。 4.一种鸟类骨架仿生式承力结构的设计方法， 该方法用于设计如权利要求1所述的鸟 类骨架仿生式承力结构， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1、 以航空发动机 中心线为回转轴， 分别将叶片安装截面半径、 燃烧室机匣截面半径位 置确定为承力骨架回转截面拟合线的起 点和终点； S2、 根据燃烧室火焰筒流道形状延伸曲线， 确定承力骨架流道拟合点， 将起点、 拟合点、 终点平滑连接形成承力骨架的拟合线； S3、 基于承力骨架的拟合线， 根据承力载荷初步分布承力骨架厚度， 获得变厚度承力骨 架； S4、 根据转子结构确定预旋喷嘴位置和人字环组件位置， 在变厚度承力骨架上确定预 旋喷嘴和人字环组件的连接节点， 由连接节点向对应的预旋喷嘴和人字环组件引出连接支 架。 5.根据权利要求4所述的鸟类骨架仿生式承力结构的设计方法， 其特征在于， 步骤S4中 由连接节点向封严副引出 连接支架为鸟类后肢骨骼仿生的人字环组件。 6.根据权利要求4所述的鸟类骨架仿生式承力结构的设计方法， 其特征在于， 步骤S2中 承力骨架流道拟合点的确定方法为： 绘制B样条曲线连接起点和终点， 所述B样条曲线与燃 烧室机匣流道曲线一阶连续， 在B样条曲线均匀确定N个拟合点； 其中， ， L弦长 为起点和终点之间的直线距离 。 7.根据权利要求6所述的鸟类骨架仿生式承力结构的设计方法， 其特征在于， 步骤S2中 B样条曲线的曲率与火焰筒流道曲率在相差 ±15%以内。 8.根据权利要求6所述的鸟类骨架仿生式承力结构的设计方法， 其特征在于， 步骤S2中 采用直线将起 点、 拟合点、 终点依次连接， 各 连接处采用R5~R10平滑连接。 9.根据权利要求4所述的鸟类骨架仿生式承力结构的设计方法， 其特征在于， 步骤S3 中 分别在起 点或终点 位置设置与燃烧室机匣、 叶片内支撑环相匹配的安装组件。 10.根据权利要求4所述的鸟类骨架仿生式承力结构的设计方法， 其特征在于， 步骤S3 中变厚度承力骨架的厚度 t分布为： 流道段厚度最小值tmin≥2.5mm； 连接节点位置： t= 1.5tmin。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115288804 A 2一种鸟类骨架仿生式承力结构及其设计方 法 技术领域 [0001]本发明涉及 航空发动机静子部件承力结构领域， 公开了一种鸟类骨架仿生式承力 结构及其设计方法。 背景技术 [0002]承力结构是用于传 递发动机内部载荷的刚性结构件， 承力结构设计是发动机结构 设计重要组成部分， 很大程度上影响着发动机的推重比、 可靠性、 安全性等。 其中静子的承 力结构主要承受较高的温度载荷、 内压并且要传递静子叶片的轴向力、 扭矩及振动负荷。 承 力结构刚度不足会在工作时发生变形， 影响转静子之间的间隙， 严重时会使转静子发生碰 磨。 [0003]现有承力结构设计方法较为单一， 通常根据流道形状简化为线性结构， 直接连接 至其他零组件， 其厚度为简单线性过渡， 所以为了保证该承力结构拥有足够的刚/强度， 通 常壁厚设计较厚导致质量增加； 并且由于结构简单， 应力分布不均匀， 通常伴随变形不协调 的问题。 同时， 承力机匣上还会设有不同安装边用于连接其他功能件， 进一步恶化承力机匣 的重量属性， 严重影响发动机推重比。 因此， 提高承力结构的刚/强度和降低承力结构的重 量成为一组天然的矛盾， 如何平衡两者关系成为承力结构设计的关键 。 [0004]近年来， 仿生设计为创造新型结构及功能材料提供了新的方法和途径， 仿生结构 具备接近生物体的优异特性。 经研究， 鸟类经过长期生物进化后， 其骨架结构与 功能已达到 近乎完美的程度， 结构当量刚度很高。 鸟类负载后对空中飞行姿态和着陆影响较小， 该特征 满足承力结构在多种工况变形控制需求。 并且鸟类为便于飞行， 整个骨架重量很轻， 该特征 满足承力结构重量控制需求。 同时， 研究人员对鸟类后肢骨骼组合的长度比例及其机理初 步分析， 鸟类骨架尺寸对承力结构材料分布具有指导意义。 如何针对承力结构的力学特征， 通过仿生设计原理寻求一种固有抗变形、 复杂载荷抗变形能力强， 质量轻的承力结构， 成为 研究人员研究的新课题。 发明内容 [0005]本发明的目的在于提供一种鸟类骨架仿生式承力结构及 其设计方法， 采用鸟类仿 生式承力结构， 承力 骨架、 人字环组件和预旋喷嘴形成空间网格骨骼分布， 承力 骨架采用鸟 类骨架仿生结构的变厚度承力骨架， 使承力结构省去大量利用率极低材料， 整体材料分布 更加合理， 在满足整体刚度/强度需求的同时， 承力结构重量较传统连接极大降低。 [0006]为了实现上述 技术效果， 本发明采用的技 术方案是： 一种鸟类骨架仿生式承力结构， 所述承力结构是以航空发动机中心线为回转轴的 回转结构， 其回转截面包括承力骨架、 预旋喷嘴、 人字环组件， 所述承力骨架为承力脊椎骨 架仿生， 用于与燃烧室内机匣、 叶片内支撑环固定连接； 所述预旋喷嘴为鸟类头骨仿生， 用 于涡轮转子提供冷气， 同时与转子挡板形成密封结构； 所述人字环组件为后肢骨骼仿生， 用 于与转子轴形成封严副。说　明　书 1/5 页 3 CN 115288804 A 3